[論文レビュー] Evidence for a Local "Fog" of Sub-Ankle UHECR

Ruo-Yu Liu, Andrew M. Taylor+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、Fermi-LATが示す、大部分の銀河間ガンマ線放射が点源から来ることを根拠に、散乱放射を過剰に生成しないようにするため、アングルエネルギーカutoff（1–4×10¹⁸ eV）未満の超高エネルギー宇宙線（UHECR）の局所的「小雨」が存在する必要があると提唱している。研究では、近隣の源、おそらく銀河系起源のものも含めて、散乱ガンマ線を過剰に生成しないために必要であり、820 GeVの銀河間背景放射の一部がUHECR由来であると仮定した場合の最大源距離の上限を導出している。

ABSTRACT

During their propagation through intergalactic space, ultrahigh energy cosmic rays (UHECRs) interact with the background radiation fields. These interactions give rise to energetic electron/positron pairs and photons which in turn feed electromagnetic cascades, resulting in a diffuse gamma-ray background radiation. The gamma-ray flux level generated in this way highly depends upon the UHECR propagation distance, as well as the evolution of their sources with redshift. Recently, the \fermi collaboration has reported that the majority of the total extragalactic gamma-ray flux originates from extragalactic point sources. This posits a stringent upper limit on the diffuse gamma-ray flux generated via UHECR propagation, and subsequently constrains their abundance in the distant Universe. Focusing on the contribution of UHECR at energies below the ankle within a narrow energy band ($(1-4) imes 10^{18}$eV), we calculate the diffuse gamma-ray flux generated through UHECR propagation, normalizing the total cosmic ray energy budget in this band to the measured flux. We find that in order to not overproduce the cascade gamma-ray flux, a local fog of UHECR produced by nearby sources must exist, with a possible non-negligible contribution from our Galaxy. Following the assumption that a given fraction of the observed IGRB at 820GeV originates from UHECR, we obtain a constraint on the maximum distance for the majority of their sources. With UHECR above the ankle invariably also contributing to the diffuse gamma-ray backgound, the results presented here are conservative.

研究の動機と目的

• アングルエネルギーカutoff未満（1–4×10¹⁸ eV）のUHECRの伝播によって生成される拡散ガンマ線放射を調査すること。
• Fermi-LATの観測結果、すなわち大部分の銀河間ガンマ線放射が解像可能な点源から来ることを根拠に、UHECRが銀河間ガンマ線背景（EGRB）に与える寄与を制約すること。
• 散乱ガンマ線を過剰に生成しないようにするための、UHECRの局所的密度および源分布を特定すること。
• ガンマ線放射の制約に基づいて、UHECR源の伝播距離の上限を導出すること。

提案手法

• UHECRが銀河間空間を伝播することで引き起こされる電磁カスケードを介した拡散ガンマ線放射を計算すること。
• 物理的整合性を保つために、観測された宇宙線フラックスに一致するよう、(1–4)×10¹⁸ eV帯域におけるUHECRエネルギー予算を正規化すること。
• Fermi-LATの制約、すなわち大部分の銀河間ガンマ線放射が離散的点源から来ることを根拠に、拡散カスケード放射の厳密な上限を設定すること。
• カスケード放射の上限を用いて、近隣の源に起因すると仮定した場合の、必要なUHECRの局所的密度を推定すること。
• 820 GeVのEGRB放射の一部がUHECRカスケード由来であると仮定し、最大源距離を導出すること。
• UHECRがアングルエネルギーよりも高いエネルギー帯域においても、拡散ガンマ線背景に寄与するとする慎重な仮定を考慮すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙線フラックスを前提とした場合、アングルエネルギーより低いUHECRが電磁カスケードを経由して生成する拡散ガンマ線放射のレベルはどの程度か？
• RQ2 Fermi-LATがEGRBの大部分が点源から来ることを示しているという制約は、UHECR由来の拡散カスケード放射の許容可能な量にどのように影響するか？
• RQ3 散乱ガンマ線放射を過剰に生成しないために、必要なUHECRの局所的密度（「小雨」としての存在）はどの程度か？
• RQ4 観測されたEGRB放射およびカスケード制約と整合するUHECR源までの最大距離はどの程度か？
• RQ5 銀河系内または近隣の源が、ガンマ線背景制約に違反することなく、観測されたUHECRフラックスにどの程度寄与できるか？

主な発見

• アングルエネルギーより低い（1–4×10¹⁸ eV）UHECRの局所的「小雨」が、電磁カスケードによる拡散ガンマ線放射を過剰に生成しないために必要である。
• 820 GeVの銀河間ガンマ線背景の一部がUHECRカスケード由来であると仮定しても、このような局所的UHECR集団の存在は依然として必要不可欠である。
• カスケード放射の上限に基づき、UHECR源の大部分が限定された赤方偏移範囲内に存在すると制限される。
• UHECRがアングルエネルギーよりも高いエネルギー帯域でも拡散ガンマ線背景に寄与すると予想されるため、結果は保守的である。
• 非常に顕著な寄与が、銀河系内に存在する源からUHECRフラックスに供給されている可能性があり、観測制約と整合的である。
• Fermi-LATの観測結果と整合させるためには、アングルエネルギーより低いUHECRが、従来の仮定よりも局所的宇宙空間ではるかに多く存在している必要があると、解析が示唆している。